Cadmium : des laitues peuvent-elles nous aider à dépolluer les sols ?

Source: The Conversation – in French – By Mathieu Pédrot, Maitre de conférences – Géosciences et Environnement

Utiliser des plantes pour dépolluer les sols, c’est ce que propose la phytoremédiation. Cette aire de recherche est en pleine expansion alors que les inquiétudes liées aux métaux toxiques se multiplient. Mais un problème demeure : ces processus basés sur les plantes restent encore assez lent. Pour remédier à cela, une étude inédite aux résultats prometteurs a pu tester les capacités des laitues à absorber le cadmium en ajoutant des nanoparticules de magnétite pour accélérer la dépollution.

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La contamination des sols par le cadmium constitue aujourd’hui un enjeu environnemental majeur. Issu notamment des activités industrielles et de l’utilisation d’engrais phosphatés en agriculture. Ce métal toxique peut s’accumuler dans les écosystèmes et perturber durablement leur fonctionnement.

Un élément qui s’accumule dans l’organisme

Le cadmium est en effet un élément métallique ne présentant aucun rôle biologique, aucune fonction physiologique n’étant actuellement connue. Il se distingue ainsi par une toxicité élevée, même à faibles concentrations, affectant aussi bien les microorganismes que les plantes, les animaux et l’humain. Le cadmium peut également être bioaccumulé, c’est-à-dire s’accumuler dans les tissus d’un organisme, les processus d’absorption excédant les processus d’élimination.

Il peut aussi être transféré au sein de la chaîne alimentaire, ce qui soulève d’importantes préoccupations sanitaires et environnementales. Pour remédier à l’augmentation des concentrations en cadmium dans les sols, les scientifiques développent des approches innovantes, dont la phytoextraction, une technique qui utilise les plantes pour extraire les polluants du sol.

Les possibilités de la phytoremédiation

Ce procédé repose sur la capacité de certaines plantes à absorber les métaux présents dans le sol et à les accumuler dans leurs parties aériennes (tiges, feuilles, fleurs, fruits, etc.). Ces parties peuvent ensuite être récoltées, et ainsi extraire progressivement les polluants des sols.

Deux grandes stratégies sont utilisées en phytoremédiation. La première consiste à utiliser des plantes hyperaccumulatrices, capables de stocker des concentrations très élevées de métaux dans leurs tissus biologiques. Parmi les espèces les plus connues figurent le tabouret des bois (Noccaea caerulescens) pour le zinc et le cadmium, ou encore la fougère rubanée (Pteris vittata) pour l’arsenic.

Cette forte capacité d’accumulation permet de concentrer les contaminants dans une quantité relativement limitée de matière végétale, ce qui facilite la gestion des déchets issus de la dépollution et peut, dans certains cas, permettre la récupération et la réutilisation des métaux.

La seconde stratégie repose sur l’utilisation de plantes produisant une grande quantité de biomasse, comme certaines graminées, saules ou peupliers. Bien que ces espèces accumulent généralement moins de contaminants dans leurs tissus, leur forte production de matière végétale permet d’extraire des quantités significatives de polluants au fil du temps.

Des processus assez lents

Dans les deux cas, la quantité totale de contaminants extraite dépend à la fois de la concentration accumulée dans les tissus végétaux et de la quantité de biomasse produite. Les plantes hyperaccumulatrices compensent leur faible production de biomasse par des concentrations élevées en contaminants, tandis que les plantes à forte biomasse compensent leurs concentrations plus faibles par une production végétale importante.

Cependant, ces deux approches présentent une limite commune : la dépollution reste généralement lente et nécessite souvent plusieurs années, voire plusieurs décennies, avant d’obtenir une réduction significative des concentrations dans les sols. L’efficacité de cette technique dépend également de la biodisponibilité des contaminants, c’est-à-dire de la fraction réellement accessible aux plantes.

En effet, un métal toxique peut être présent dans le sol sans pouvoir être absorbé par les racines. Plus un contaminant est biodisponible, plus il pourra être prélevé et accumulé dans les tissus végétaux. La biodisponibilité influence donc directement la concentration de contaminants pouvant être atteinte dans les plantes et, par conséquent, la vitesse de dépollution du milieu.

Des nanomagnétites pour accélérer la phytoremédiation

C’est dans ce contexte qu’interviennent les nanoparticules de magnétite (Fe₃O₄), des particules de fer de taille nanométrique capables d’interagir avec les métaux et de modifier leur comportement dans l’environnement. Naturellement présentes dans certains sols et sédiments, ces nanomagnétites sont également utilisées dans le domaine biomédical, notamment comme agent vecteur pour le transport ciblé de médicaments, en raison de leur faible toxicité et de leur bonne compatibilité avec les tissus biologiques. Nous avons voulu mettre en lumière le potentiel de ces nanoparticules de magnétite pour améliorer significativement les processus de phytoremédiation.

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Pour cela, nous avons cultivé des laitues (Lactuca sativa) dans des sols contaminés en cadmium, avec ou sans ajout de nanomagnétites. Nous avons choisi cette plante pour sa croissance rapide, associée à une forte production de biomasse aérienne. Néanmoins, il ne s’agit pas d’une espèce végétale reconnue comme hyperaccumulatrice de cadmium.

Des laitues non-destinées à la consommation

Les résultats sont sans équivoque : la présence de nanomagnétites double la quantité de cadmium accumulée dans les feuilles de laitue ([Cd] >120 mg.kg-1 de masse sèche foliaire). Les concentrations atteignent ainsi des niveaux caractéristiques de plantes hyperaccumulatrices ([Cd] >100 mg.kg-1 de masse sèche foliaire).

Cela signifie que des espèces végétales courantes, comme la laitue, pourraient devenir des outils efficaces de dépollution lorsqu’elles sont associées à ces nanomagnétites. Il est important de souligner que cette approche s’inscrit dans une logique de dépollution, et non de production alimentaire. Les plantes utilisées dans ce contexte ne sont pas destinées à la consommation, mais à être récoltées pour extraire les contaminants du sol. Cette distinction est essentielle pour comprendre l’intérêt de la démarche.

Des laitues plus petites mais riches en cadmium

Nous noterons par ailleurs que l’ajout de nanomagnétites s’accompagne d’une diminution de la biomasse foliaire produite, les laitues étant légèrement plus petites. Cet effet ne constitue toutefois pas un frein à la dépollution des sols.

En effet, malgré cette réduction de croissance, la laitue conserve une production de biomasse suffisante pour extraire des quantités significatives de cadmium du sol. Surtout, les feuilles présentent des concentrations en cadmium nettement plus élevées, ce qui permet d’obtenir une biomasse plus riche en contaminants.

Cette combinaison est particulièrement avantageuse dans une stratégie de phytoextraction : elle maintient une extraction efficace du métal tout en réduisant les volumes de végétaux à récolter, transporter et traiter. Une biomasse plus concentrée en cadmium facilite également les étapes ultérieures de gestion ou de valorisation, par exemple dans une perspective de récupération du métal, tout en limitant les coûts associés.

L’étude montre également que les nanomagnétites modifient le comportement du cadmium dans le sol en réduisant sa fraction la plus mobile. Concrètement, en présence de ces nanomagnétites, les quantités de cadmium entraînées par l’eau qui traverse le sol diminuent fortement. Cette réduction limite les transferts du contaminant vers les couches profondes du sol et pourrait ainsi réduire les risques de contamination des eaux souterraines.

Bien que le cadmium soit davantage retenu dans le sol, sa biodisponibilité reste suffisante pour permettre une absorption importante par les plantes. Les nanomagnétites remplissent donc une double fonction : elles favorisent l’extraction du cadmium par les végétaux tout en limitant sa dispersion dans l’environnement.

Quid des escargots et des vers de terre ?

Au-delà des plantes, nous avons également examiné le devenir du cadmium au sein d’une chaîne alimentaire simplifiée comprenant des vers de terre et des escargots. L’objectif était d’étudier les interactions entre le cadmium présent dans le sol et ces deux organismes vivants en considérant deux modes d’exposition distincts. Les vers de terre sont principalement exposés par l’ingestion de grandes quantités de sol lors de leur alimentation, tandis que les escargots entrent en contact avec le contaminant par voie cutanée lors de leurs déplacements à la surface du sol.

Les résultats montrent que les vers de terre accumulent des quantités importantes de cadmium. Toutefois, cette accumulation est principalement liée à la contamination initiale du sol et à l’ingestion de particules de sol. La présence de nanomagnétites ne modifie pas significativement cette bioaccumulation, qui reflète avant tout l’exposition directe des vers de terre au sol contaminé.

En revanche, un effet intéressant est observé chez les escargots. Contrairement aux vers de terre, leur accumulation de cadmium diminue en présence de nanomagnétites. Ce résultat suggère que ces nanomagnétites peuvent réduire la biodisponibilité du cadmium pour certains organismes, contribuant ainsi à limiter son transfert dans la chaîne alimentaire et son impact sur les organismes vivants du sol.

Par ailleurs, les nanomagnétites elles-mêmes sont faiblement retrouvées dans les organismes étudiés, ce qui indique une mobilité limitée dans ce système expérimental. Cela constitue un élément rassurant quant à leur comportement environnemental, même si des études complémentaires restent nécessaires pour évaluer leurs effets à long terme.

Des questions à creuser

Cette étude met donc en évidence le potentiel des nanomagnétites pour améliorer les stratégies de phytoremédiation des sols contaminés. Toutefois, de nombreuses questions demeurent quant aux mécanismes qui contrôlent la biodisponibilité des contaminants dans les sols. Pourquoi certains métaux deviennent-ils plus facilement accessibles aux plantes tout en restant moins mobiles dans l’environnement ? Quelles approches pourraient permettre d’agir sur les processus se déroulant à l’interface entre l’eau, le sol et les plantes afin de modifier les formes chimiques des contaminants, et ainsi leur mobilité et leur biodisponibilité ?

Ces questions sont au cœur de nos futurs travaux qui visent à mieux comprendre les facteurs physiques, chimiques et biologiques qui gouvernent le transfert des contaminants vers les organismes vivants. Une meilleure connaissance de ces mécanismes permettra de développer des stratégies de dépollution plus efficaces, plus ciblées et mieux adaptées à la diversité des sols contaminés.

Mathieu Pédrot a reçu des financements de l’ANR (projet n° ANR-25-CE04-3722), du CNRS, de la région Bretagne et de l’Université de Rennes. Il est membre de l’Université de Rennes.

Francisco Cabello Hurtado a reçu des financements de l’ANR, de l’Université de Rennes et du CNRS. Il est membre de l’Université de Rennes.

Nolenn Kermeur a bénéficié d’un financement du Ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation sous la forme d’un contrat doctoral.

– ref. Cadmium : des laitues peuvent-elles nous aider à dépolluer les sols ? – https://theconversation.com/cadmium-des-laitues-peuvent-elles-nous-aider-a-depolluer-les-sols-285419